基于水泥混凝土路面溫度場理論的早齡期水泥路面裂縫控制

周恒宇（廣州市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站）

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基于水泥混凝土路面溫度場理論的早齡期水泥路面裂縫控制

周恒宇（廣州市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站）

混凝土路面的修筑，極大促進(jìn)了交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，滿足了社會發(fā)展的需求。但是，水泥混凝土路面施工時會出現(xiàn)受到氣候條件、環(huán)境影響等因素的影響出現(xiàn)裂縫的情況，這極大地影響了路面的交通能力。本文將將結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，分析溫度導(dǎo)致的水泥混凝土路面裂縫的發(fā)生機(jī)理及其處理方式，總結(jié)溫度控制和裂縫預(yù)防的措施，更好地為道路建設(shè)服務(wù)。

公路工程；水泥混凝土；路面裂縫；溫度場

1　溫度對水泥混凝土路面裂縫的影響

水泥混凝土路面施工中，路面的裂縫問題相當(dāng)普遍，而早齡期水泥混凝土產(chǎn)生裂縫的相當(dāng)大一部分原因是混凝土的溫度變化而引起的溫度裂縫。溫度裂縫是指由于混凝土體存在溫度差，再加上水泥混凝土的熱脹冷縮特性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各處變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的裂縫。

在混凝土的凝結(jié)過程中，混凝土內(nèi)部溫度比較平緩，而混凝土路面和路面邊沿與外界接觸面積較大，路表面溫度主要由外部溫度決定。混凝土路面表面在白天接受日曬溫度升高到了晚上溫度會降低。晝夜的溫差很大，產(chǎn)生溫度的變化會使混凝土路面產(chǎn)生收縮和膨脹，加之混凝土初期強(qiáng)度偏低很容易產(chǎn)生裂縫。總體來說，由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，也會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。

（2）氣溫的降低也會在混凝土的表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超過混凝土的承受荷載的時候就會出現(xiàn)裂縫。

（3）許的混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不到位、時干時濕、表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫。

（4）由于原材料不均勻、水灰比不穩(wěn)定，以及運(yùn)輸和澆筑過程中的的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。

通過以上分析可知，要想進(jìn)一步研究路面溫度裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，其根本在于準(zhǔn)確了解水泥混凝土內(nèi)部及其所處環(huán)境熱量的產(chǎn)生、釋放與傳導(dǎo)的規(guī)律，從熱量角度揭示水泥混凝土路面的裂縫的發(fā)生與開展，并指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)與施工，減少因溫度因素導(dǎo)致的裂縫產(chǎn)生。

2　水泥混凝土路面早齡期溫度場研究

水泥混凝土路面直接暴露在大氣之中，一年四季大氣溫度和太陽輻射周期性的變化以及每一天白晝黑夜氣溫的變化，使得路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)，同時其內(nèi)部早期在各種復(fù)雜水化反應(yīng)中熱量的產(chǎn)生、釋放和傳導(dǎo)都具有不均勻性，所以路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的分布狀況也不是均勻和不穩(wěn)定的，無論是在空間上還是時間上都是一個復(fù)雜的變化過程，這些作用的結(jié)果直接體現(xiàn)為路面溫度場的復(fù)雜分布。

路面早齡期溫度場受到水化作用和環(huán)境條件的相互耦合作用，存在一個發(fā)展演變的過程，早齡期溫度場隨環(huán)境變化呈周期性波動，但由于水化熱的作用，水泥混凝土路面前24h或前36h溫度場顯著高于后期。現(xiàn)場條件下混凝土水化期間，混凝土溫度發(fā)展是膠結(jié)材料水化熱釋放和結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的熱交換平衡的體現(xiàn)，具體表現(xiàn)為受以下三個方面的影響：

2.1混凝土水化熱

水泥混凝土水化各因素之間的相互作用非常復(fù)雜，水泥組分、水泥細(xì)度、水泥用量、水灰比、礦物摻合料和化學(xué)外加劑的存在以及水化初始溫度均影響著水化熱。

2.2環(huán)境影響

水泥混凝土外部環(huán)境條件晝夜循環(huán)波動，諸如氣溫、風(fēng)速、相對濕度、太陽輻射、云量等參數(shù)值不斷變化，水泥的水化反應(yīng)受其所處環(huán)境狀態(tài)影響強(qiáng)烈。

2.3熱交換

現(xiàn)場混凝土鋪筑好后，熱量就會從混凝土傳入環(huán)境或從環(huán)境傳入混凝土，熱傳遞也對水泥混凝土內(nèi)部與表面溫度有著較大影響。

福州大學(xué)胡昌斌教授等人通過選擇福建省不同地區(qū)、結(jié)構(gòu)和季節(jié)，進(jìn)行了早齡期溫度場現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)研究，研究選取確定水泥水化放熱、環(huán)境變化、熱交換這3個方面的模型和參數(shù)，采用有限差分法編制了水泥混凝土路面早齡期溫度場數(shù)值模擬程序，并通過現(xiàn)場足尺路面板早齡期與長期溫度場監(jiān)測試驗(yàn)，室內(nèi)小板試驗(yàn)調(diào)試驗(yàn)證了模型和程序。

為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和適用性，研究選擇我國學(xué)者建立的環(huán)境氣象參數(shù)模型，材料參數(shù)取值考慮國內(nèi)材料特性，通過選擇環(huán)境參數(shù)與熱交換模型、水泥水化放熱模型等綜合考慮氣溫、對流換熱、輻射、混凝土表面水分蒸發(fā)吸熱、水化放熱等多個因素在內(nèi)各參數(shù)，編制出溫度場顯式差分方程，它受到空氣的對流換熱、太陽輻射、水分蒸發(fā)和節(jié)點(diǎn)內(nèi)部熱源的影響。對流邊界節(jié)點(diǎn)即混凝土路面板頂部節(jié)點(diǎn)熱平衡方程為：

式中：Fo為內(nèi)熱源強(qiáng)度；λ為熱導(dǎo)率；△τ為時間間隔；i、j為節(jié)點(diǎn)編號；△x為相鄰節(jié)點(diǎn)間距。

胡昌斌教授等人通過上述數(shù)值仿真模型擬合與現(xiàn)場鋪筑路面的早齡期溫度對比驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn)，路面板各深度的早齡期溫度的擬合準(zhǔn)確度都較好，水泥混凝土路面早齡期溫度場的溫度預(yù)估程序準(zhǔn)確性總體較好，通過參數(shù)敏感性分析可以發(fā)現(xiàn)：除路面材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、水泥組分、水泥用量、水灰比、面板厚度外，對混凝土早齡期溫度場有顯著影響的還有鋪筑時間、環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、養(yǎng)護(hù)方式、混凝土攤鋪溫度，以及受混凝土齡期顯著影響的路面輻射吸收率、面板導(dǎo)熱系數(shù)等因素。

3　防止水泥混凝土路面早期溫度裂縫的措施

通過以上分析可知，為了防止混凝土的溫度裂縫，減輕溫度應(yīng)力的不利影響，從溫度控制的角度，可從以下幾方面措施控制水泥混凝土路面裂縫的發(fā)生：

（1）掌握好澆筑時間段，避免極端天氣作業(yè)。環(huán)境條件對水泥混凝土路面早齡期溫度有非常顯著的影響，不同時間段施工的路面混凝土的生長環(huán)境有很大不同，因此，選擇時間段可以顯著調(diào)節(jié)路面板施工澆筑期間溫度。

炎熱夏季施工路面，混凝土的澆筑可選擇在早上或是傍晚施工，并且在澆筑混凝土減少澆筑混凝土的厚度，充分利用澆筑層面散熱；砂石料應(yīng)設(shè)遮陽篷，宜采用地下水拌合混凝土，以降低混凝土溫度；掌握合理的拆模時間，氣溫驟降時采取表面保溫措施，氣溫升高時采取內(nèi)部降溫措施，以免混凝土表面發(fā)生劇烈的溫度梯度而產(chǎn)生裂縫；應(yīng)盡量避免早晨施工時段導(dǎo)致的混凝土水化熱與中午天氣出現(xiàn)的疊加升溫效應(yīng)。

寒冷冬季施工路面，應(yīng)依靠水泥水化來增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，適當(dāng)提高拌合水溫，迅速完成水化作用，加快混凝土的強(qiáng)度增長；施工過程中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施；使用擋風(fēng)板降低風(fēng)速，降低溫差，減緩水分蒸發(fā)速度，避免裂縫的發(fā)生。

（2）加強(qiáng)水泥路面施工后的養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)可以顯著調(diào)節(jié)路面板溫度，不同養(yǎng)護(hù)方式下路面溫度的高低次序?yàn)轲B(yǎng)生劑或薄膜養(yǎng)護(hù)、無養(yǎng)護(hù)、黑色土工布灑水養(yǎng)護(hù)、白色土工布灑水養(yǎng)護(hù)；水泥混凝土終凝后即覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)，防止水分喪失過快，產(chǎn)生干縮裂縫；養(yǎng)護(hù)時間由水泥混凝土強(qiáng)度增加情況而定，不得少于7d；高溫夏季施工，灑水養(yǎng)護(hù)對路面早齡期溫度場來說是有利的，低溫冬季施工，覆蓋薄膜或養(yǎng)生劑養(yǎng)護(hù)對路面早齡期保溫性有利。

（3）優(yōu)化水泥混凝土路面選用材料。材料參數(shù)對路面早齡期溫度影響顯著性稍弱，但仍有一定的調(diào)節(jié)作用。對于夏季施工路面應(yīng)選擇低水化熱的水泥，而冬季施工路面可選擇高水化熱的水泥；在不影響力學(xué)性能的前提下，夏季鋪筑路面的顏色盡量控制為灰白色，而冬季路面可為深灰色；夏季路面應(yīng)選用低水泥用量、低水灰比的混凝土，冬季與之相反；采用改善骨料級配，用于硬性商品混凝土摻混合料加引氣劑或塑化劑等措施以減少商品混凝土中的水泥用量。

4　工程實(shí)例

項(xiàng)目名稱：國道G106線從化學(xué)田至西瓜地段路面改造（K2404+446～K2415+235）。本項(xiàng)目起點(diǎn)位于廣州市與清遠(yuǎn)市交界處，終點(diǎn)位于西瓜地，起點(diǎn)樁號為K2404+446，終點(diǎn)樁號為K2415+235，路線全長10.789km。國道G106線K2404+ 446～K2414+300段為本項(xiàng)目其中一段，等級為公路一級，設(shè)計(jì)時速為60km/h，路面寬度29.5m，為雙向六車道。全線路面破損較為嚴(yán)重，對行車安全性及舒適性影響較大。本項(xiàng)目主要工程量為對舊路面進(jìn)行病害整治、更換破碎板、修復(fù)舊路瀝青混凝土路面、加鋪瀝青混凝土面層等（其中水泥混凝土路面破板修復(fù)2.974km）。

本項(xiàng)目K2411+605～K2411+655右幅第二車道為水泥混凝土路面補(bǔ)板破除重建施工，于2015年6月7日～6月8日開始澆筑水泥混凝土路面施工，期間通過灑水與覆蓋土工布或草簾保濕養(yǎng)護(hù)，施工期間本項(xiàng)目所在區(qū)域午后最高氣溫可超過35℃。現(xiàn)場監(jiān)督抽查發(fā)現(xiàn)，此里程路段水泥路面施工終凝后出現(xiàn)多道明顯的路面裂縫，最長一道約60cm，寬度約0.5～1mm，如圖1所示。通過現(xiàn)場觀察、鑿除表面混凝土，并采用路面抽芯驗(yàn)證，結(jié)果證明均為水泥混凝土干縮導(dǎo)致的表面裂紋，其深度分布約0.5～2mm之間。

圖1　

后期施工過程中通過調(diào)整混凝土澆筑施工時段，錯開施工水化放熱與氣溫升高同步、加大路面灑水養(yǎng)護(hù)頻率、加強(qiáng)施工控制水泥表面浮漿厚度等措施，有效地減少了混凝土表面干縮裂紋的發(fā)生率，較大提升了水泥混凝土路面的施工質(zhì)量。

5　結(jié)語

綜上所述，混凝土的溫度裂縫問題可通過研究水泥混凝土路面早齡期溫度場分布，采用現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值擬合分析的手段驗(yàn)證，進(jìn)一步分析研究其受外部條件和材料參數(shù)影響，如氣溫、太陽輻射、水泥水化熱、鋪筑時間、養(yǎng)護(hù)方式等，指導(dǎo)施工工藝改善，混凝土材料選擇，路面板厚度設(shè)計(jì)，混凝土攤鋪溫度控制等，減少當(dāng)前水泥混凝土施工中因溫度因素而引起的裂縫。

［1］胡昌斌，金王杰，孫增華.水泥混凝土路面早齡期溫度場數(shù)值模擬研究［J］.工程力學(xué)，2013，30（4）：175～183.

［2］王新杰.淺談建筑施工中混凝土裂縫控制［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（2）：123.

［3］凈衛(wèi)星.橋梁工程施工中混凝土裂縫控制探究［J］.城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（20）：7095.

［4］李 偉.水泥混凝土路面裂縫的原因及維修措施［J］.技術(shù)研發(fā)，2011 （10）：72～73.

周恒宇（1984-），男，中級工程師，碩士研究生，主要從事公路工程質(zhì)量監(jiān)督管理工作。

U416.216

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2095-2066（2016）14-0186-02

2016-3-20